Влияние способа синтеза слоистого диоксида марганца на свойства катодных материалов для водных цинк-ионных аккумуляторов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе представлен анализ структурно-химических и электрохимических свойств катодных материалов на основе диоксида марганца со структурой бирнессита в макетах цинк-ионных аккумуляторов в зависимости от условий гидротермального синтеза. За счет больших межслоевых расстояний полученные оксиды марганца способны к обратимой интеркаляции ионов цинка в свою кристаллическую структуру. Рассмотрены два подхода к гидротермальному синтезу диоксида марганца: реакция между сульфатом марганца и перманганатом калия при 160°С (MnO2-I) и гидротермальная обработка раствора перманганата калия при 220°С (MnO2-II). Структурный анализ показал, что оба метода синтеза дают в качестве основного продукта диоксид марганца со структурой бирнессита. Вместе с тем электрохимические свойства полученных материалов в макетах водных цинк-ионных аккумуляторов оказались различны. Материал MnO2-II демонстрирует более высокую начальную емкость (180 мА ч г−1 при токе 0.3 А г−1), но в то же время его циклическая стабильность ниже на 40% по сравнению с материалом MnO2-I. Это может быть связано с более развитой площадью поверхности активного материала и меньшей степенью кристалличности.

Об авторах

М. А. Каменский

Санкт-Петербургский государственный университет, Институт химии

Email: vkondratiev@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. Ю. Попов

Санкт-Петербургский государственный университет, Институт химии

Email: vkondratiev@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

С. Н. Елисеева

Санкт-Петербургский государственный университет, Институт химии

Email: vkondratiev@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

В. В. Кондратьев

Санкт-Петербургский государственный университет, Институт химии

Автор, ответственный за переписку.
Email: vkondratiev@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Hwang, J.Y., Myung, S.T., and Sun, Y.K., Sodium-ion batteries: Present and future, Chem. Soc. Rev., 2017, vol. 46, p. 3529.
  2. Xie, J. and Zhang, Q., Recent progress in multivalent metal (Mg, Zn, Ca, and Al) and metal-ion rechargeable batteries with organic materials as promising electrodes, Small, 2019, vol. 15, p. 1805061.
  3. Liang, Y., Dong, H., Aurbach, D., and Yao, Y., Current status and future directions of multivalent metal-ion batteries, Nat. Energy, 2020, vol. 5, p. 646.
  4. Borchers, N., Clark, S., Horstmann, B., Jayasayee, K., Juel, M., and Stevens, P., Innovative zinc-based batteries, J. Power Sources, 2021, vol. 484, p. 229309.
  5. Zhou, T., Zhu, L., Xie, L., Han, Q., Yang, X., Chen, L., Wang, G., and Cao, X., Cathode materials for aqueous zinc-ion batteries: A mini review, J. Colloid Interface Sci., 2022, vol. 605, p. 828.
  6. Selvakumaran, D., Pan, A., Liang, S., and Cao, G., A review on recent developments and challenges of cathode materials for rechargeable aqueous Zn-ion batteries, J. Mater. Chem. A, 2019, vol. 7, p. 18209.
  7. Chen, L., An, Q., and Mai, L., Recent advances and prospects of cathode materials for rechargeable aqueous zinc-ion batteries, Adv. Mater. Interfaces, 2019, vol. 6, p. 1900387.
  8. Mathew, V., Sambandam, B., Kim, S., Kim, S., Park, S., Lee, S., Alfaruqi, M.H., Soundharrajan, V., Islam, S., Putro, D.Y., Hwang, J.-Y., Sun, Y.-K., and Kim, J., Manganese and vanadium oxide cathodes for aqueous rechargeable zinc-ion batteries: a focused view on performance, mechanism, and developments, ACS Energy Lett., 2020, vol. 5, p. 2376.
  9. Guo, X., Yang, S., Wang, D., Chen, A., Wang, Y., Li, P., Liang, G., and Zhi, C., The energy storage mechanisms of MnO2 in batteries, Curr. Opin. Electrochem., 2021, vol. 30, p. 100769.
  10. Zhang, Z., Li, W., Shen, Y., Wang, R., Li, H., Zhou, M., Wang, W., Wang, K., and Jiang, K., Issues and opportunities of manganese-based materials for enhanced Zn-ion storage performances, J. Energy Storage, 2022, vol. 45, p. 103729.
  11. Post, J.E., Manganese oxide minerals: Crystal structures and economic and environmental significance, Proc. Natl. Acad. Sci., 1999, vol. 96, p. 3447.
  12. Jin, Y., Zou, L., Liu, L., Engelhard, M.H., Patel, R.L., Nie, Z., Han, K.S., Shao, Y., Wang, C., Zhu, J., Pan, H., and Liu, J., Joint charge storage for high-rate aqueous zinc–manganese dioxide batteries, Adv. Mater., 2019, vol. 31, p. 1900567.
  13. Alfaruqi, M.H., Islam, S., Putro, D.Y., Mathew, V., Kim, S., Jo, J., Kim, S., Sun, Y-K., Kim, K., and Kim, J., Structural transformation and electrochemical study of layered MnO2 in rechargeable aqueous zinc-ion battery, Electrochim. Acta, 2018, vol. 276, p. 1.
  14. Li, G., Huang, Z., Chen, J., Yao, F., Liu, J., Li, O.L., Sun, S., and Shi, Z., Rechargeable Zn-ion batteries with high power and energy densities: A two-electron reaction pathway in birnessite MnO2 cathode materials, J. Mater. Chem. A, 2020, vol. 8, p. 1975.
  15. Wang, F., Lai, Y., Zhang, Y., Ou, P., Wu, P., Zhu, H., Chen, Z., and Li, S., Preparation of novel hollow δ-MnO2 composite sphere for supercapacitors and degradation of bisphenol A, Mater. Res. Bull., 2019, vol. 115, p. 257.
  16. Wang, H., Liang, M., Gao, J., Ma, C., He, Z., Zhao, Y., and Miao, Z., Robust structural stability of flower-like δ-MnO2 as cathode for aqueous zinc ion battery, Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp., 2022, vol. 643, p. 128804.
  17. Peng, H., Fan, H., Yang, C., Tian, Y., Wang, C., and Sui, J., Ultrathin δ-MnO2 nanoflakes with Na+ intercalation as a high-capacity cathode for aqueous zinc-ion batteries, RSC Adv., 2020, vol. 10, p. 17702.
  18. Егорова, А.А., Бушкова, Т.М., Колесник, И.В., Япрынцев, А.Д., Котцов, С.Ю., Баранчиков, А.Е. Селективный синтез полиморфных модификаций диоксида марганца гидротермальной обработкой водных растворов KMnO4. Журн. неорган. химии. 2021. Т. 66. С. 141. [Egorova, A.A., Bushkova, T.M., Kolesnik, I.V., Yapryntsev, A.D., Kottsov, S.Y., and Baranchikov, A.E., Selective synthesis of manganese dioxide polymorphs by the hydrothermal treatment of aqueous KMnO4 solutions, Russ. J. Inorg. Chem., 2021, vol. 66, p. 146.]
  19. Wu, Y., Fee, J., Tobin, Z., Shirazi-Amin, A., Kerns, P., Dissanayake, S., Mirich, A., and Suib, S.L., Amorphous manganese oxides: an approach for reversible aqueous zinc-ion batteries, ACS Appl. Energy Mater., 2020, vol. 3, p. 1627.
  20. Yang, X., Makita, Y., Liu, Z.H., Sakane, K., and Ooi, K., Structural characterization of self-assembled MnO2 nanosheets from birnessite manganese oxide single crystals, Chem. Mater., 2004, vol. 16, p. 5581.
  21. Soundharrajan, V., Sambandam, B., Kim, S., Islam, S., Jo, J., Kim, S., Mathew, V., Sun, Y., and Kim, J., The dominant role of Mn2+ additive on the electrochemical reaction in ZnMn2O4 cathode for aqueous zinc-ion batteries, Energy Storage Mater., 2020, vol. 28, p. 407.
  22. Qiu, C., Zhu, X., Xue, L., Ni, M., Zhao, Y., Liu, B., and Xia, H., The function of Mn2+ additive in aqueous electrolyte for Zn/δ-MnO2 battery, Electrochim. Acta, 2020, vol. 351, p. 136445.
  23. Zhang, S., Liu, Z., Li, L., Tang, Y., Li, S., Huang, H., and Zhang, H., Electrochemical activation strategies of a novel high entropy amorphous V-based cathode material for high-performance aqueous zinc-ion batteries, J. Mater. Chem. A, 2021, vol. 9, p. 18488.
  24. Zhang, Y., Huang, R., Wang, X., Wang, Z., Song, B., Du, Y., Lu, Q., Chen, X., and Sun, J., Facile large-scale preparation of vanadium pentoxide -polypyrrole composite for aqueous zinc-ion batteries, J. Alloys Compd., 2022, vol. 907, p. 164434.
  25. Huang, C., Wu, C., Zhang, Z., Xie, Y., Li, Y., Yang, C., and Wang, H., Crystalline and amorphous MnO2 cathodes with open framework enable high-performance aqueous zinc-ion batteries, Front. Mater. Sci., 2021, vol. 15, p. 202.
  26. Liu, D.-S., Mai, Y., Chen, S., Liu, S., Ang, E.H., Ye, M., Yang, Y., Zhang, Y., Geng, H., and Li, C.C., A 1D–3D interconnected δ-MnO2 nanowires network as high-performance and high energy efficiency cathode material for aqueous zinc-ion batteries, Electrochim. Acta, 2021, vol. 370, p. 137740.
  27. Huang, J., Wang, Z., Hou, M., Dong, X., Liu, Y., Wang, Y., and Xia, Y., Polyaniline-intercalated manganese dioxide nanolayers as a high-performance cathode material for an aqueous zinc-ion battery, Nat. Commun., 2018, vol. 9, p. 2906.
  28. Efremova, A.O., Volkov, A.I., Tolstopyatova, E.G., and Kondratiev, V.V., EQCM study of intercalation processes into electrodeposited MnO2 electrode in aqueous zinc-ion battery electrolyte, J. Alloys Compd., 2022, vol. 892, p. 162142.
  29. Tan, Y., An, F., Liu, Y., Li, S., He, P., Zhang, N., Li, P., and Qu, X., Reaction kinetics in rechargeable zinc-ion batteries, J. Power Sources, 2021, vol. 492, p. 229655.
  30. Zhang, R., Liang, P., Yang, H., Min, H., Niu, M., Jin, S., Jiang, Y., Pan, Z., Yan, J., Shen, X., and Wang, J., Manipulating intercalation-extraction mechanisms in structurally modulated δ-MnO2 nanowires for high-performance aqueous zinc-ion batteries, Chem. Eng. J., 2022, vol. 433, p. 133687.

Дополнительные файлы


© М.А. Каменский, А.Ю. Попов, С.Н. Елисеева, В.В. Кондратьев, 2023